（制冷及低温工程专业论文）溶液除湿系统除湿再生过程及其热质耦合机理研究.pdf

i i， 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所早交的学位论文是我个人在导师指导卜进行的研究f ：作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得尔南人学或其它教育机构的学位或证忙而使川过的材料。与我 一同1 ：作的同：占对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图二持馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采川影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文铍奄阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以屯 子信息形式刊登) 授权东南人学研究生院办理。 一虢臌趁鱼学 6 5洲6删45川7，iiil帅y 溶液除湿系统除湿再生过程及其热质耦合机理研究 摘要 溶液除湿空调在利用低品位热能实现制冷空调、提高室内空气品质方面具 有独特的优势与应用前景。溶液除湿空调系统中两个核心部件一除湿器和再生器 中发生着溶液与空气之间的耦合热质传递过程，如何科学地认识和评价溶液与空 气之间的传热传质过程是优化运行与优化设计的基础，也是指导发展高性能除湿 和再生装置的前提。本文采用理论与实验相结合的研究方法探讨了溶液与空气 热、质交换过程和热质耦合机理与特性，发展了新型的热质交换设备与溶液除湿 空调系统，具体研究内容与结果如下： 首先，定量地分析了采用传统对数平均温差与对数平均湿差来计算溶液与空 气之间的耦合传热传质系数存在的不足，提出了考虑沿程传递势差分布的积分平 均传热温差和平均传质湿差作为实际平均传递势差来获取耦合热质传递过程的 传热传质系数。基于除湿过程中溶液与空气之间的传热传质特性提出了一种基于 实验的计算耦合传热传质系数的新方法一厅d - k 分离测量法。结合实验数据，获 得了动力学因素( 空气流速) 和非动力学因素( 空气温度和含湿量，溶液浓度和 温度) 对耦合传热传质系数的影响。基于各参数对耦合传热传质系数的影响进一 步指出，在对溶液与空气之间热、质交换建模时，需要同时考虑溶液与空气之间 的耦合传热传质势差和耦合传热传质系数的变化。 其次，将绝热型再生过程根据驱动热量加载的不同分为溶液加热再生过程和 空气加热再生过程。对溶液加热再生过程进行了实验研究，分析了运行参数对再 生过程传热传质系数的影响。以再生量和再生热效率为性能评价指标，同时考虑 再生过程再生能力与能源利用效率探讨了重要可调运行参数如溶液温度、流量和 空气流量对再生性能的影响。研究表明，溶液温度的提高既有利于再生量的提高， 同时也有利于再生热效率的提高；空气流量越大，再生过程再生热效率逐渐减小， 再生量存在最佳值；溶液侧的充分热回收对提高再生热效率非常重要。空气加热 再生尽管再生能力不如溶液加热再生，但是对回收利用废热空气却很有效。为充 分发挥空气加热再生过程的热力性能，需满足最低的入口溶液温度要求，该温度 取决于空气含湿量和溶液浓度。对于空气加热再生过程，溶液流量越低，再生过 程再生热效率高。 再次，为发展新型高效热质交换设备，搭建了内冷除湿器与内热再生器实验 台，对内冷除湿过程与绝热除湿过程、内热再生过程与绝热再生过程进行实验对 比研究，结果表明带有内冷热源的除湿再生过程性能显著高于绝热除湿绝热再 生过程。并发展了对内冷型除湿过程强化除湿机理的新认识：内冷型除湿过程的 强化不仅仅是由于温度更低的溶液具有更大的传质驱动势，而且空气与温度更低 的溶液之间具有更高的传质系数。 另外，鉴于内热型和绝热型除湿再生过程的传质性能差异主要是溶液温度 变化、分布不同引起，建立了考虑溶液温度因子对传质系数的影响的内冷内热 型除湿再生过程数学模型，并利用实验数据进行了验证。基于该模型，研究了 内冷除湿过程和内热再生过程的参数分布特性。理论与实验结果研究表明，内热 型再生过程与传统绝热型再生过程( 填料型再生器) 相比不仅仅具有更强的再生 能力，而且具有更高的能源利用效率，即更高的再生热效率。与绝热再生过程不 同，内热再生过程在低溶液流量工况下仍然具有很高的再生量和再生热效率，而 低溶液流量能够有效避免空气对溶液液滴的携带问题，因此采用内热型再生器是 发展“液滴零携带”的重要技术途径。 最后，以发展低品位热能( 如太阳能等) 驱动的制冷空调系统为目标，构 建了基于空气调节原理的除湿蒸发冷却直接送风空调系统，基于制冷原理的冷源 供应系统一溶液深度除湿蒸发冷冻冷水机组，以及基于溶液除湿通风与辐射供冷 的热湿独立处理空调系统。其中第三种系统是一种利用除湿除去房间湿负荷、利 用除湿蒸发冷却为辐射供冷提供冷源除去显热负荷而不需要其他冷源的热湿独 立处理系统。另外，提出了基于能量转化思想的潜能蓄能方法，并在溶液除湿空 调系统中以溶液除湿潜能的方式实现，对溶液除湿潜能蓄能进行了热力分析，对 溶液除湿潜能蓄能动态特性进行了初步探讨。 关键词：溶液除湿；传热传质：内热再生；潜能蓄能；除湿空调 i i s t u d yo nt h ec o u p l e d c h a r a c t e r i s t i co fh e a ta n dm a s s t r a n s f e rb e t w e e na i r a n dd e s i c c a n ti nl i q u i dd e s i c c a n t d e h u m i d i f i c a t i o na n dr e g e n e r a t i o n a b s t r a c t l i q u i dd e s i c c 锄ta i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m sh a v es h o w np r o m i s i n gp 朗t i a l 锄da p p i i c a t i o ni n r e 仔i g e r a t i o n 锄da i rc o n d i t i o n i n gb yu t i l i z a t i o no fl o w - 伊a d et h e 肌a ie n e 唱y 绷da l s oc a ni m p r o v e i n d o o ra i rq u a i i 吼c o m p i e xh e a t 蚰dm 笛st r a n s f e rb 咖e e na i r 锄dl i q u i dd e s i c c 锄th a p p e ni n d e h u m i d i f i e r 锄dr e g e n e r a t o ri nl i q u i dd e s i c c 卸ta i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s i ti sv e 哆e s s e n t i a lf o r o p 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h e i l i ， r e q u i r e m e n to ft h el o w e s ti n l e t s o i u t i o nt e m p e r a t u r es h o u l db em e tf o rg o o dr e g e n e r a t i o n p e r f o m 锄c ei na i rh e a l e dr e g e n e 豫t i o n a ni n t e m a i l yc o o l e d h e a t e dd e h u m i d i f i e r i e g e n e 眦o rw 勰b u i i tt 0d e v e i o pt h eh i 曲e 用c i e n t e q u i p m e n tc o n c e m e dw i 廿lh e a ta n dm 弱st r 锄s f e r c o m p a r a t i v e 咖d yw 舔c 撕e do u tt of i n do u t t h ed i f f e r e n c 鼯b e 帆e 明t h ei n t e m a l l yc o o l e d l l e a t c dd e h u m i d i f j e r r e g e n e r 砒o r 锄da d i a b a t i c d e h u m i d i f i e r r e g e n e m t o r t h er e s u l t si n d i c 撕dt h a tt h ei n t e m a i l yc o o l e d h e a t e dd e h u m i d i f i e r r e g e n e 伯_ t o rs h o w e ds i g n i f i c 锄t i yb e t t c rp e r f o m a n c et h a nt h ea d i a b a t i co n e n e wi n s i g h to nm e i m p r o v e m e n to fp e o 册狮c e i nt h ei n t e m a l i yc 0 0 l e dd e h u m j d i f i e rw 勰 d e v e l o p e d t h e i m p r o v e m e n tr e s u i t e dn o to n i yf b mt h em o 他m 舔s 仃锄s f e rp o t e n t i a lb e t w e 舶a i r 锄dd e s i c c 锄t s o i u t i o nw i t hi o w e rt e m p e r a t u r e ，b u ta i s of b mt h eh i 曲e rm 舔s 仃a n s f e rc o e 衔c i tb e 附e e na i ra n d d e s i c c 锄ts o l u t i o nw i t hi o w 盯t e m p e r a t u r e i tw 嬲c o n s i d e r e dt h a tt h ed i f f e r 锄c eb e t w e t h ei m e m a i l yc o o i e d h e a t e dd e h u m i d i f i c r r e g e n e r a t o r 锄dt l i ea d i a b a t i co n er e s u i t e d 舶mn l ec h 锄g eo f t i l ed e s i c c 粕tt e m p e r a l u r e 锄di t s d i s t r i b u t i o ni nt h ed e h u m i d i f i e 陀g e n e r 砸o r ah e 纰锄dm 弱s 仇m s f e rm o d e io nt i l ei n t e m a i l y c o o l e c i h e 纳e dd e h u m i d i f i e r i e g e n e r 粕rw 勰e s t a b l i s h e d 狮dv a l i d a t e db yc o m p 孤i s 佣w i t l lt l l e e x p e r i m e n t a ld a w h i c hi n c l u d e dt l i e e f f e c to fs o i u t i o nt e m p e m t u 他o nt h 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i dc a n y o v 盯o f d e s i c c 柚td r o p i e 鸽 s e v e m in o v e la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m sw e 佗p r o p o s e dt od e v e l o pt l l e 他开i g e m t i o n 锄da 奸 c o n d i t i o n i n gt e c h n o l o g ) ，b yu t i i i z a l i o no fl o w 倒et l l 锄a l 印e r g y ，s u c h 鹬i 甜明e r 阱n e s y s t e f n sa 陀嘲p e c t i v e l y 锄a j rc o n d i t i o n i n gb a s e d d i c te 忱p o 眦i o nc o o i i n g ，aw a t e rc h i l i 盯 b 嬲e do nac i o s e da i rc y c l ew i n ld e h u m i d i f i c a t i 锄de v a p o r 砒i o nc l i n g ，柚das p l i ts 明s i b i e 锄d i a l e n ti o a da i rc o n d i t i o n i n gs y 呶釉b a s e do nd e h u m i d i f i c a t i o nv e n t i l m i 觚dr a d i a n tc o o l i n g i i l w h i c ht l l ec h i l l e dw a t e rw i 恤h i g i it e m p e r a n 鹏i ss u p p h e db yt i l ee v a p 0 嗽i o n o l i n g an e w e n e r g ys t o r a g em e t l l o d ，n 锄e dp c 惦n t i a l 锄e r g ys t o r a g e ，w 雏p u tf o n v a r db 弱c d t l l ei d e ao f e n e r g y 饥m s f 0 咖，w h i c hi sd i f r e r 蚰tf b mt i l e 恻i t i o n a le n e r g ys t o 髓g eb 舔e do n 廿l e 舶e r g y 啦n s f e r t i 怆n e we n e 喀ys t o r a g em e t h o dc a nb ea c _ h i e v e di nt l l el i q u i dd 船i c c 扑ta i r n d i t i o n i i l g s y s t e m sc o n c e m e da b o v e t h ep 他l i m i n a 叮锄a i y s i sw 舔c o n d u 曲e d t i l ed y n 锄i cp e r f o 咖a n 锄d 嘶s i e mc h a m 咖r i s t i co f 廿l ee n e 嗡，咖啊g e 叫) c e 鹞b a s e d 廿l ei i q u i dd 豁i c c 锄t d e h u m i d i f i c a t i o n k e y w o r d s ：l i q u i d d e s j c c 孤td e h 啪i d i f i c a t i o n ；h e 砒锄dm 瓣仃锄s f e r ；i n t 伽1 a l l yh e a t e d ：r e g e n e r a t i o n ：e 1 1 9 ys t o n 喀e ；d e s i c c 锄ta i rc o n d i t i o n i n g 目录 摘要臣i a b s t r a c t i i i 目录v 主要符号表i x 第一章绪论。l 1 o 课题背景1 1 0 1 制冷空调面临的能源与环境问题l 1 o 2 利用自然工质的太阳能驱动制冷空调技术。l 1 o 3 发展高效节能的热湿独立处理空调技术需求2 1 1 溶液除湿文献综述3 1 1 1 除湿溶液及性能强化3 1 1 2 空气与溶液传热传质过程与性能评价研究4 1 1 3 溶液除湿器和再生器装置研究8 1 1 4 太阳能驱动溶液除湿制冷空调系统研究1 1 1 2 存在问题及研究内容l2 1 3 本文研究框架1 4 第二章绝热型溶液除湿再生耦合传热传质模型。l5 2 0 引言15 2 1 除湿再生物理模型15 2 2 溶液除湿再生过程机理。l7 2 3 绝热型溶液除湿再生耦合传热传质数学模型18 2 3 1 叉流填料热质交换模型1 8 2 3 2 顺流和逆流填料热质交换模型。2 0 2 4 模型验证与实验对比2 2 2 5m r u 和乜的确定方法与存在的问题2 4 2 6 本章小结3 0 第三章绝热型除湿过程热质传递特性及其实验研究3 l 3 o 引言3l 3 1 考虑沿程传递势差分布的传递系数3l 3 2 基于除湿过程热湿解耦特性的办矿眈分离测量法3 2 v 3 3 利用办矿k 分离测量法确定除湿过程耦合传热传质系数3 5 3 3 1 绝热型叉流除湿过程实验系统3 5 3 3 2 入口空气参数对除湿过程耦合传热传质系数的影响3 9 3 3 3 入口溶液参数对除湿过程的影响4 5 3 3 4 洛液除湿实验v 7 u 分析4 8 3 3 5 耦合传质系数和k 数实验关联式4 8 3 3 6 拟合关联式验证与不确定度分析4 9 3 4 绝热型除湿过程热质耦合特征分析5 1 3 5 绝热型除湿器结构尺寸对除湿过程的影响5 3 3 6 本章小结5 5 第四章溶液加热再生过程特性及其实验研究5 7 4 0 引言。5 7 4 1 溶液加热再生实验研究5 8 4 1 1 溶液再生实验热平衡分析。5 8 4 1 2 空气与溶液状态对再生过程传质系数的影响5 9 4 2 溶液加热再生特性研究6 2 4 2 1 溶液再生过程性能评价指标6 2 4 2 2 溶液温度对再生量及再生热效率的影响6 3 4 2 3 空气流量对再生量及再生热效率的影响6 5 4 2 4 溶液流量对再生量及再生热效率的影响。6 7 4 2 5 再生器尺寸对再生量与再生热效率的影响。6 9 4 2 6 再生器流型对再生量和再生热效率的影响7 l 4 3 本章小节7 2 第五章空气加热溶液再生过程特性研究7 3 5 0 引言7 3 5 1 空气加热溶液再生过程特性研究7 4 5 1 1 空气加热再生过程热质传递系数7 4 5 1 2 空气加热再生过程的再生性能评价指标7 5 5 1 3 空气加热再生过程的溶液预热特性要求分析。7 5 5 1 4 空气流量对空气加热再生过程的影响。7 7 5 1 5 溶液流量对空气加热再生过程的影响7 9 5 1 6 再生器尺寸对空气加热再生过程的影响8 2 5 2 本章小结8 5 第六章内冷型除湿内热型再生过程特性及其实验研究：8 6 6 0 引言8 6 6 1 内冷型除湿器内热型再生器实验系统8 7 6 1 1 实验系统构成8 7 6 1 2 内冷除湿器内热再生器模块8 8 6 1 3 实验过程与实验方法8 9 6 2 实验结果与分析9 l 6 2 1 内冷水温度对除湿过程的影响9 l 6 2 2 空气流量对内冷型和绝热型除湿过程的影响。9 3 6 2 3 溶液温度对内冷型和绝热型除湿过程的影响9 4 6 2 4 空气流量对内热型和绝热型再生过程的影响9 5 6 2 5 溶液温度对内热型和绝热型再生过程的影响。9 7 6 3 顺流内冷型除湿过程内热型再生过程数值研究9 8 6 3 1 内冷型除湿器内热型再生器数学模型9 8 6 3 2 数学模型验证与不确定度分析l o o 6 4 绝热型与内冷型除湿过程参数分布对比研究1 0 4 6 5 绝热型与内热型再生过程参数分布特性对比研究1 0 5 6 6 绝热型与内热型再生过程再生性能对比研究。1 0 6 6 6 1 溶液流量对两种再生过程性能影响的对比研究1 0 7 6 6 2 入口溶液温度对两种再生过程性能影响的对比研究1 0 8 6 6 3 内热水流量对再生过程性能影响的对比研究l0 8 6 6 4 空气流量对两种再生过程性能影响的对比研究1 0 9 6 6 5 空气温度对两种再生过程性能影响的对比研究l ll 6 7 本章小结1 ll 第七章热驱动溶液除湿空调系统的构建及潜能蓄能研究。l l3 7 o 引言l l3 7 1 溶液除湿制冷空调系统的构建1 1 3 7 1 1 一种基于空气调节原理的简单空调系统1 1 3 7 1 2 一种溶液深度除湿蒸发冷冻冷水机组及其热力性能1 1 5 7 1 3 一种基于溶液除湿通风与辐射供冷的热湿独立处理空调系统1 18 7 2 溶液除湿制冷空调系统原理与实质1 1 8 7 3 新型潜能蓄能方法一溶液除湿潜能蓄能机理及其热力学分析。1 2 0 7 4 溶液除湿潜能蓄能过程动态特性研究1 2 3 7 5 本章小结1 2 6 第八蠢研究总结与展望i 1 2 7 v n 零 8 0 研究总结。1 2 7 8 1 研究展望1 2 9 致谢l3 l 参考文献l3 3 作者在攻读博士期间发表的论文及其他成果1 4 l i i 主要符号表 口t 比表面积，m 2 m 3 口w 湿润比表面积，m 2 m 3 b大气压，p a c d ，印计算值 c d p 系统热力性能 印定压比热，k j “k g 。c ) 优水蒸气在空气中的扩散系数，m 2 s 印特征尺寸，m d s 水在溶液中的扩散系数，m 2 s d 空气通道宽度，m 脚实验值 层热平衡误差率 咫气相f 型传质系数，k m o 收m 2 s ) 凡液相f 型传质系数，k m o m 2 s ) g重力常数，l 眺2 日溶液降膜高度，m 玩空气的比焓，k j 缒 惋溶液与空气耦合传热系数， w ( m 2 。c ) b 含湿量差驱动的传质系数， k 队m 2 s ) 鬼溶液的比焓，k j 瓜g 水侧对流换热系数，w ( m 2 o c ) 氏。溶液表层空气焓值，k j 几g o 。c 时水的汽化潜热，i c j k 曷整体传质系数，k m o 坎m 2 s ) 妃气相传质系数，k m o 以m 2 s p a ) 气液相传质系数，献 上填料长度，m 如刘易斯数 坛空气流量，k g s 坛溶液流量，k 幽 眠传质率，k s 所。微元体内空气流量，k g s 骶微元体内溶液流量，k g s 聊，再生量，g s 聊，传质通量，k 耿m 2 s ) 彤空气侧传质单元数 帆溶液侧传质单元数 肌水蒸气压力，p a q 0 单位制冷量，w 瓜g 空气 q l i 加热量，w 9 潜热量，w q s 显热量，w r 气液质量流量比 雷洛数 恐气体常数，j ( m 0 1 k ) ，- 水汽化潜热，k j l ( g s面积，m 2 施密特数 砌舍伍德数 r 温度，o c 瓦蒸发温度，o c 露参考温度，o c 巩迎面风速，m s 阢不确定度 k 总体积，m 3 形宽度，m 五溶液质量浓度，kl i c l k g 碧液 j r i 界面处溶液摩尔浓度，l ( r i l o i k m o i 对数平均摩尔浓度，l o i l ( m o i 粥界面处气相水蒸气浓度， k m o i l ( m o i z 填料高度，m z 微元体高度，m 希腊字母 ” 口 对流传质系数，k 酬m 2 p a s ) 口面积扩展系数 ，无量纲蒸气压力 丫表面张力，n m 改变量 岛过程湿度效率 岛塔湿度效率 衢再生效率 仉蓄能效率 动力粘度，n m 2 p密度，k g m 3 痧相对湿度 含湿量，k g l ( g 下标 a空气 c冷却水 d e 除湿 i n 进口 i n t 气液界面 l o g m 对数平均 m i n 最小值 o u t 出口 r e g 再生 s溶液 l s a t 温度t 对应的饱和状态 v蒸气 w 内冷热水 x 第章绪论 1 0 课题背景 第一章绪论弟一早瑁比 1 0 1 制冷空调面临的能源与环境问题 近几十年来，为满足日常生活舒适性需要和工业生产环境需求，制冷空调设 备的应用越来越广泛、普遍，其中以电驱动的蒸汽压缩式制冷空调装置为主。目 前的制冷空调设备大量使用c f c s 类制冷工质，这些c f c s 氯氟烃类正在给人类 赖以生存的地球大气层中的臭氧层造成破坏。世界多处的臭氧层低谷现象已经引 起了普遍关注，国际保护臭氧层会议的专家警告，世界多处臭氧层已出现空洞现 象，并将给人类健康带来极大的危害【l j 。 制冷空调装置同时也消耗大量的电能，如图1 1 所示空调能耗平均占据建筑 能耗的5 0 左右。据统计2 0 0 8 年江苏省社会总能耗中3 0 为建筑能耗，其中6 0 用于空调、采暖、供热水等【2 l 。另外目前电力系统生产过程中产生大量的c 0 2 ， 而大气中二氧化碳( c 0 2 ) 浓度升高带来的全球气候变化也己被确认为不争的事 实，全球近1 2 0 年来全球气温变化如图1 2 所裂引。因此，传统制冷空调方法自 身和运行导致的能源与环境问题非常严峻。最近两年以来提倡以“低能耗、低污 染、低排放”为核心的低碳经济已逐渐被国际社会、政府等所重视，因而发展环 保和节能制冷空调方法对促进“低碳生产”和“低碳消费具有积极的作用【4 】。 图1 1 国内某机关建筑能耗图 图l - 2 全球平均气温变化 1 0 2 利用自然工质的太阳能驱动制冷空调技术 为了发展环保节能制冷空调技术和方法，充分发展可再生能源利用技术，采 用自然工质的太阳能驱动制冷空调技术在国际上已经受到重视【5 一。太阳能的利 用途径分为以下三种：光热转换、光电转换和光化转换。光热转换是利用各种集 气1 1 尔南人学博士学位论文 热器将太阳能通过集热装置收集热能，然后用收集到的热能来驱动太阳能制冷空 调装置；光电转换是将太阳能转化为电能来驱动制冷系统：光化转换是先将太阳 能转化为化学能，然后通过一定的物理化学反应进行制冷热。主要的太阳能制 冷空调方法如图1 3 所示。 厂黼： r ， 光热转换 弋除湿蒸发冷却 il 喷射式制冷 太lr 电能驱动传统制冷方式 霎弋 光电转化 气半导体制冷 i：化学热泵 l 光化转换 l 氢化物制冷 图